深海微生物的研究開(kāi)發(fā)

　摘要：  深海微生物是地球生物系統的重要組成部分，深海微生物由于其在生態(tài)、資源、環(huán)境等方面的重要性，越來(lái)越受到人們的重視。本文對深海微生物研究開(kāi)發(fā)的歷史和進(jìn)展進(jìn)行概述。

　　關(guān)鍵詞：  深海微生物；  研究；  開(kāi)發(fā)

　　Research and development of deepsea microbes

　　ABSTRACT  Deepsea microbes are the important components of earth biological system. Deepsea microbes have received more and more intensive attention as their importance in the research and application in ecology, resources, environments, and so on. In this study, the history and main achievements in deepsea microbial research and developments were briefly introduced.

　　KEY WORDS  Deepsea microbes;  Research;  Development

　　深海的概念通常指1000米以下的海洋，占到海洋總面積的3/4，而其中深海沉積物覆蓋了地球表層的50%以上。深海及深海沉積物中的微生物生存面臨高壓，低溫或高溫、黑暗及低營(yíng)養水平等幾個(gè)主要極端環(huán)境，長(cháng)期以來(lái)一直被認為是一片“荒蕪的沙漠”。20世紀中期，深海測量技術(shù)發(fā)現深海洋底也有高山峻嶺，全世界有8萬(wàn)公里長(cháng)的山脊蜿蜒在各個(gè)大洋，大洋中山脊的發(fā)現使人們認識到海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的統一性。1977年美國“阿爾文”號深潛器最早在太平洋上的加拉帕戈斯群島附近2500米的深海熱液區發(fā)現了完全不依賴(lài)于光合作用而獨立生存的獨立生命體系。位于生命體系金字塔底部的是微生物，能直接利用深�；鹕娇趪姵龅牧蚧�物、氮化物、甲烷等低分子化合物作為食物和能源，合成各種生物大分子如蛋白質(zhì)、糖等。位于金字塔上部的是一些大型生物包括長(cháng)管蟲(chóng)、蠕蟲(chóng)、蛤類(lèi)、貽貝類(lèi)，還有蟹類(lèi)、水母、藤壺等特殊的生物群落。有人將這樣五彩繽紛、生機勃勃的海底生物世界稱(chēng)為海底“生命綠洲”。目前已經(jīng)有幾十個(gè)深海熱液區生物體系被研究，這種依靠地球內源能量支持，在深海黑暗和高溫的環(huán)境下，通過(guò)化合作用生產(chǎn)有機質(zhì)的“黑暗食物鏈”的發(fā)現使人類(lèi)對深海環(huán)境以及生物圈有了更進(jìn)一步的了解。在目前已發(fā)現的各種極端環(huán)境中深海蘊藏著(zhù)的生物資源極為豐富，其中最主要的是深海微生物，但這些微生物大部分還鮮為人知。深海環(huán)境下極端微生物的研究不僅是目前生命科學(xué)最前沿的領(lǐng)域之一，也是海底深部生物圈研究和海底流體活動(dòng)研究重要的組成部分。該項研究將回答生命起源、生物進(jìn)化、外太空生命探索等生命科學(xué)的重大問(wèn)題并帶動(dòng)包括21世紀地球科學(xué)內的其它學(xué)科領(lǐng)域的重大發(fā)展。2001年美國國家科學(xué)基金(NSF)在其題為“Ocean Science at the New Millenium”的科學(xué)發(fā)展展望報告中，將海底流體活動(dòng)研究列為海洋科學(xué)今后十年最重要、最有可能取得重大突破和科學(xué)發(fā)現的前沿研究方向之一，生命科學(xué)與海底地球物理、地球化學(xué)等在上述研究中將占據重要地位。于2003年10月份開(kāi)始的整合大洋鉆探計劃(IODP)將深部生物圈和洋底、海底列為該計劃中三大科學(xué)課題之一。深海深部生物圈的發(fā)現是對“生物圈”廣泛范圍的進(jìn)一步了解。雖然海底采集沉積柱狀樣已經(jīng)有近80年的歷史，大規模的系統研究開(kāi)始于1968年的深海鉆探計劃。“深海鉆探(DSDP，1968～1983)”、“大洋鉆探(ODP，1985～2003)”和“綜合大洋鉆探(IODP，2003～至今)”等深海研究的三部曲，是國際地球科學(xué)歷時(shí)最長(cháng)、規模最大，也是成績(jì)最為突出的合作研究計劃。大洋鉆探計劃ODP以獨特的視角為我們呈現出另外一個(gè)生命世界――掩埋在洋底沉積物中和地殼中的生物圈。在數千米深海海底存在著(zhù)由微小的原核生物組成，數量極大的生物群，有人估計其生物量相當全球地表生物總量的1/10。與熱液口“自養”的微生物不同，深部生物圈的原核生物依靠地層里的有機物實(shí)行“異養”。深海大洋中生物圈的發(fā)現，讓人類(lèi)認識到地球生態(tài)系統的真正基礎在于原核生物。正是這些原核生物多種多樣的新陳代謝過(guò)程，產(chǎn)生了多種多樣生物地球化學(xué)效果，在此基礎上建立了地球的生態(tài)系統。微生物總是出現在它們能夠生存的一切物理、化學(xué)、地質(zhì)環(huán)境中，這似乎是一條基本規律。那些在極端環(huán)境中生長(cháng)并通常需要這種極端環(huán)境正常生長(cháng)的微生物被統稱(chēng)為極端微生物。極端環(huán)境涵蓋了物理極端環(huán)境(如溫度、輻射、壓力、磁場(chǎng)、空間、時(shí)間等)、化學(xué)極端(如干燥、鹽度、酸堿度、重金屬濃度、氧化還原電位等)和生物極端(如營(yíng)養、種群密度、生物鏈因素等)，海底被認為是上述極端環(huán)境中的極端。在深海環(huán)境中廣泛存在著(zhù)嗜酸(pH3以下)、嗜堿(pH10以上)、嗜鹽(25mol/L以上)、嗜冷(可達0℃以下)、嗜熱(120℃以上)、嗜壓(500大氣壓以上)微生物。深海環(huán)境下極端生物特征的研究也為生命極限的研究提供了良好的生物材料并對外太空生命探索不斷提供新的線(xiàn)索和依據�？茖W(xué)家們設想：既然在如此嚴酷的極端環(huán)境下微生物還能很好地生存，那么在火星上也會(huì )有生命存在。深海微生物學(xué)的建立應該追溯到上世紀70年代，美國Scripps海洋研究所Yayanos教授設計、改進(jìn)高壓培養罐并于1979年首先分離出深海嗜壓菌，1989年Bartlett首先分離出壓力調控的外膜蛋白(OmpH)。1990年日本三菱重工和三洋公司開(kāi)始為日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研制深海微生物高溫/高壓培養系統，1994年才完成，耗資七億五千萬(wàn)日元。該系統的建設和深潛、采樣系統的建設極大地推動(dòng)了深海生物圈的研究進(jìn)步。1995年Kato等分析了一個(gè)壓力調控基因簇，1999年Nogi等從馬里亞納海溝分離、鑒定出極端嗜壓菌Moritella yayanosii［1～3］；2003年日本、美國和意大利相繼展開(kāi)了深海嗜壓菌Shewanella violacea DSS12和Photobacterium profundum SS9全基因組測序［4，5］；2005年3月P.profundum SS9全基因組序列及初步分析在Science上發(fā)表［6，7］。除了巨大的科學(xué)研究?jì)r(jià)值，深海微生物研究還具有極大的經(jīng)濟、社會(huì )價(jià)值而引起廣泛的關(guān)注。深海生物處于獨特的物理、化學(xué)和生態(tài)環(huán)境中，在高靜水壓、劇變的溫度梯度、極微弱的光照條件和高濃度的有毒物質(zhì)包圍下，它們形成了極為特殊的生物結構、代謝機制系統。由于這種極端的環(huán)境，深海生物體內的各種活性物質(zhì)，特別是酶，具有高度的溫度耐受性，高度的耐酸堿性、耐鹽性及很強的抗毒能力。這些特殊的生物活性物質(zhì)是深海生物資源中最具應用價(jià)值的部分。除了發(fā)展、改進(jìn)海洋微生物的分離培養方法獲得新的海洋微生物，篩選活性物質(zhì)外，應用基因組學(xué)研究方法，構建海洋微生物基因組文庫，通過(guò)研究，操作海洋微生物遺傳基因，來(lái)獲得新的海洋微生物活性物質(zhì)，這是探索海洋特別是深海微生物資源，研究開(kāi)發(fā)海洋新藥物的必然而有效的選擇，也是目前深海微生物資源開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。概括來(lái)說(shuō)，深海生物在以下幾個(gè)方面具有潛在的應用價(jià)值：

　　1  工業(yè)應用

　　工業(yè)生產(chǎn)常常要求一些特殊的反應溫度、酸堿度并加入一些有機溶劑，在這種條件下，普通酶無(wú)法保持活性，因此，依賴(lài)酶的工業(yè)必須花費大量資金采取特殊的工藝以保持這些酶的活性，從而大大提高了成本，而極端酶在普通酶失活的條件下仍然能保持較高的活性，所以在工業(yè)上有著(zhù)廣泛的的應用前景。目前已經(jīng)有高溫聚合酶、糖酶、淀粉酶、蛋白酶等幾種極端酶開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)，并且已經(jīng)創(chuàng )造了數十億美元的經(jīng)濟效益。

　　2  醫藥應用

　　從生物體內研制藥物治療人類(lèi)的各種疾病由來(lái)已久。由于越來(lái)越多的病原菌或病毒對目前的藥物產(chǎn)生了抗藥性，并且不斷產(chǎn)生新的疾病。因此從海洋中篩選新的生物藥物成為海洋藥物研究開(kāi)發(fā)的方向。深海生物由于環(huán)境的獨特性而成為新型特效藥物、抗腫瘤、抗病毒、降壓降脂等藥物的來(lái)源。目前國際上在深海藥物的篩選方面還未見(jiàn)太多報道，但是可以預料它的前景將是十分廣闊的。

3  環(huán)境保護

在海底，由于動(dòng)物尸體聚集、火山噴發(fā)等原因造成有毒物質(zhì)及硫化物等對陸地生物有害物質(zhì)的濃度較高，而生存在這里的微生物能分解這些物質(zhì)并以其為能源繁衍生息，因此，這些生物在清除地球表面的重金屬、石油等污染物方面具有重要的應用價(jià)值。目前日本科學(xué)家已經(jīng)從深海中篩選到具有較高的石油分解能力的菌株，并已開(kāi)展了應用研究。從20世紀后期開(kāi)始，隨著(zhù)深海技術(shù)能力的提高，越來(lái)越多的國家投身于深海研究的前沿領(lǐng)域。目前的深海載人潛器下潛深度達到6500m，無(wú)人纜控潛器ROV則可達到11000m水深，并獲得最深處馬里亞納海溝深海沉積物樣本，研究發(fā)現其微生物含量達到103～104/g的水平。實(shí)驗室深海環(huán)境模擬也取得突破進(jìn)展，已分離鑒定出嗜壓、嗜堿、嗜酸、嗜鹽、嗜冷、嗜熱等極端微生物。目前國際上進(jìn)行深海微生物研究的國家主要分布在歐洲，美洲及亞洲，其中美國、日本、德國和法國都是深海微生物研究的主力軍。目前，在深海微生物的分離培養、多樣性調查、功能基因研究和適應性機制研究(如深海嗜壓菌的嗜壓機制)等方面取得了一定的進(jìn)展；各類(lèi)極端微生物在工業(yè)用酶、工具酶、環(huán)境修復以及生物活性物質(zhì)等方面的開(kāi)發(fā)應用也有了突破，使人們看到了深海微生物開(kāi)發(fā)的巨大潛力和廣闊的應用前景。深海生物資源尤其是微生物資源越來(lái)越得到人類(lèi)的重視。隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，水下工程技術(shù)和探測技術(shù)的改進(jìn)和完善，人類(lèi)對深海微生物的研究和開(kāi)發(fā)有了更大的空間和可能性。我國深海生物基因的系統研究起步時(shí)間較晚，從本世紀初開(kāi)始主要得到了國家科技部和中國大洋專(zhuān)項的資助。中國大洋協(xié)會(huì )依托國家海洋局第三海洋研究所成立了中國大洋生物基因研究開(kāi)發(fā)基地，研制、配備了一批船載和實(shí)驗室深海微生物培養專(zhuān)用設備。在深海設備的支持下，真正意義的深海微生物研究得以開(kāi)展。到目前為止，基礎研究主要開(kāi)展了深海微生物在物質(zhì)循環(huán)中的作用；極端微生物分離、培養；微生物遺傳、代謝研究，深海極端環(huán)境下微生物適應性機理的研究等。成功分離、鑒定出各類(lèi)深海嗜壓、嗜熱、嗜冷、嗜鹽、嗜堿、嗜酸微生物，從中發(fā)現了多個(gè)未經(jīng)報道的新種。以此為基礎，正在建設國內第一個(gè)深海微生物菌株資源庫�？寺×硕喾N深海極端酶基因，進(jìn)行了基因表達和分析。深海微生物抗菌、抗腫瘤活性物質(zhì)篩選工作也已經(jīng)開(kāi)展。深海耐壓菌Shewanella comra WP3已基本完成全基因組序列測定，正在開(kāi)展后基因組研究。開(kāi)展了深海沉積物宏基因組文庫的構建，成功構建了一個(gè)深海5000米水深沉積物的cosmid基因文庫，通過(guò)對克隆子的分析發(fā)現文庫中微生物來(lái)源主要是一些不可培養的微生物新種，部分克隆子序列測定發(fā)現克隆子上大部分基因是新基因。目前已篩選到多個(gè)能表達生物活性物質(zhì)的克隆子，正在進(jìn)行序列測定�？傊�，深海生物研究是一個(gè)依賴(lài)于工程技術(shù)的高投入項目，我國深海生物基因資源開(kāi)發(fā)利用研究的快速發(fā)展還需要更多資金和人才的不斷投入。

作者：肖湘 王風(fēng)平 

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